Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô

Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô Bản đồ án gồm 3 chương: chương 1: Giới thiệu tổng quát các bộ biến đổi. chương 2: Ắc quy và các linh kiện điện tử. chương 3: Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống biến đổi DCDC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 2

1.1 NGUỒN XUNG KIỂU 2

1.2 NGUỒN XUNG KIỂU 4

1.3 NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL 6

1.4 BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE 8

1.5 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO Ô TÔ ĐIỆN 9

1.5 1 Bộ biến đổi DC – DC (DC – DC Converters) 9

1.5.2.Bộ biến tần 13

CHƯƠNG 2: ẮC QUY VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 15

2.1 MỞ ĐẦU 15

2.1.1.Cấu tạo 15

2.1.2.Các thông số của acquy 15

2.2.CÁC LOẠI ẮC QUY 18

2 2.1 Acquy chì axit 18

2.2.2.Acquy Nickel 19

2.2.3.Acquy Natri 20

2.2.4 Acquy Liti 21

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC ẮC QUY 22

2.3.1.Phương pháp phóng nạp 22

2.4 VAI TRÒ CỦA ẮC QUY TRONG Ô TÔ 26

2.5 MOSFET 27

2.5.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc 27

2.5.2 Đặc tính của MOSFET 32

2.6 GiỚI THIỆU DIODE BÁN DẪN 34

2.6.1 Giới thiệu 34

2.6.2 Cấu tạo 35

2.6.3 Đặc tính Volt-Ampere 37

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC-DC 38

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ BIẾN ĐỔI 38

3.2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI 38

3.2.1 Các bộ phận của bộ biến đổi 39

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 39

3.3 TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 40

3.3.1 Tính chọn van cho mạch nghịch lưu 40

3.3.2.Tính chọn diode cho mạch chỉnh lưu 42

3.3.3 Tính chọn máy biến áp động lực 43

3.4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU CẦU BA PHA 46

3.4.1 Thiết kế mạch tạo xung 46

3.4.2 Thiết kế bộ dịch pha số 47

3.4.2.1 Tổng quan về flip-flop 47

3.4.2.2 Flip-flop D 48

3.4.2.3 Bộ dịch pha số 50

3.4.3 Thiết kế mạch lái Mosfet 52

3.4.4 IC IR2101 54

3.4.4.1.Sơ đồ chân của IR 2101 54

3.4.4.2 Cấu trúc bên trong của IR2101 55

3.4.4.3 Thông số kỹ thuật của IR2101 55

3.4.5 Kết mô phỏng trên phần mềm Psim 56

3.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CẦU BA PHA NÂNG ÁP MỘT CHIỀU 58

3.5.1 Xây dựng mạch điện bằng Orcad 9.0 58

3.5.2 Mô hình vật lý bộ biến đổi 59

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay do nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, hơn nữa việc sử dụng nhiên liệu này đã và đang làm giảm chất lượng môi trường sống Để giảm bớt khí thải độc hại của các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, thế giới đã và đang nghiên cứu chế tạo ra các loại phương tiện bằng điện thay thế cho phương tiện thông thường Để sử dụng động cơ điện một chiều từ ắc quy, vấn đề quan trọng là phải nâng được điện áp ắc quy để đáp ứng yêu cầu của động cơ Giải quyết vấn đề này cần một bộ biến đổi DC/DC bán dẫn Vấn đề này đã được thế giới quan tâm và nghiên cứu.Trong bản đồ

án này em xin trình bày đề tài:” Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô”

Bản đồ án của em gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quát các bộ biến đổi

Chương 2: Ắc quy và các linh kiện điện tử

Chương 3: Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống biến đổi DC/DC

Em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn cùng các

thầy cô trong bộ môn đã hoàn thành đồ án này Do đây là lần đầu tiên em hoàn thành đồ án nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của thầy cô trong bộ môn

Hải Phòng, ngày 05 tháng 07 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Ba

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

Hiện nay thì nguồn xung hay nói cách khác nó là các bộ nguồn biến đổi DC-DC nó được sử dụng phổ biến hầu hết trên các mạch điện và các hệ thống điện tự động Với ưu điểm là khả năng cho hiệu suất đầu ra cao, tổn hao thấp,

ổn định được điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu ra với các cấp điện áp khác nhau Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm nguồn : Cách ly và không cách ly

1.1 NGUỒN XUNG KIỂU : BUCK

Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầu vào tức là Vin<Vout

Xét một mạch nguyên lý sau :

Hình 1.1: Bộ biến đổi kiểu BUCK

Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và phần lọc đầu ra Điện áp đầu ra được điều biến theo độ rộng xung khi

" Switch On" tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua cuộn cảm

và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải Chiều dòng điện được chạy theo hình vẽ Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện được tích lũy trước

đó sẽ phóng qua tải Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên hình vẽ

Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch Van công suất thường sử dụng các van như Transitor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT

Hình 1.2: Giản đồ xung của bộ biến đổi

Điện áp đầu ra đƣợc tính nhƣ sau :

V out = V in * (t on /(t on +t off ) = V in * D ( với D là độ rộng xung %)

Với ton, toff lần lƣợt là thời gian mở và thời gian khóa của van Đối với kiểu nguồn Buck này thì cho công suất đầu ra rất lớn so với công suất đầu vào

vì sử dụng cuộn cảm, tổn hao công suất thấp Do vậy nên nguồn buck đƣợc sử dụng nhiều trong các mạch giảm áp nguồn DC Ví dụ nhƣ từ điện áp 100VDC

mà muốn hạ xuống 12VDC thì dùng nguồn Buck là hợp lý

1.2 NGUỒN XUNG KIỂU : FLYBACK

Đây là kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp Cho điện áp đầu ra lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp đầu vào Từ một đầu vào có thể cho nhiều điện áp đầu ra

Sơ đồ nguyên lý nhƣ sau :

Hình 1.3: Sơ đồ kiểu Flyback

Mạch có cấu tạo bởi 1 van đóng cắt và 1 biến áp xung Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung PWM và tỷ số truyền của lõi

Khi "Switch on " thì dòng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng dần lên Cực tính của cuộn dây sơ cấp có chiều như hình vẽ và khi đó bên cuộn dây thứ cấp sinh ra một điện áp có cực tính dương như hình vẽ Điện áp ở sơ cấp phụ thuộc bởi tỷ số giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Lúc này do diode chặn nên tải được cung cấp bởi tụ C

Khi "Switch Off" cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột lúc đó bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải và đồng thời nạp điện cho tụ

Trong các mô hình của nguồn xung thì nguồn Flybach được sử dụng nhiều nhất bởi tính linh hoạt của nó, cho phép thiết kế được nhiều nguồn đầu

ra với 1 nguồn đầu vào duy nhất kể cả đảo chiều cực tính Các bộ biến đổi

kiểu Flyback đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sử dụng nguồn pin hoặc acqui, có một nguồn điện áp vào duy nhất để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V) với hiệu suất chuyển đổi cao Đặc điểm quan trọng của bộ biến đổi Flyback là pha(cực tính) của biến áp xung đƣợc biểu diễn bởi các dấu chấm trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp (trên hình vẽ) Công thức tính toán cho nguồn dùng Flyback:

V out =V in x (n 2 /n 1 ) x (T on x f) x (1/(1-(T on x f)))

Với :

n2 = cuộn dây thứ cấp của biến áp

n1 = Cuộn dây sơ cấp biến áp

Ton = thời gian mở của Q1 trong 1 chu kì

f là tần số băm xung (T=1/f = (Ton + Toff))

Nguồn xung kiểu Flyback hoạt động ở 2 chế độ : Chế độ liên tục (dòng qua thứ cấp luôn > 0) và chế độ gián đoạn (dòng qua thức cấp luôn bằng 0)

1.3 NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL (ĐẨY- KÉO)

Đây là dạng kiểu nguồn xung đƣợc truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào

Từ một điện áp đầu vào cũng có thể cho nhiều điện áp đầu ra Nó đƣợc gọi là nguồn đẩy kéo

Xét sơ đồ nguyên lý sau :

Hình 1.4: Sơ đồ bộ biến đổi PUSH-PULL

Đối với nguồn xung loại Push-Pull này thì dùng tới 2 van để đóng cắt biến áp xung mỗi van dẫn 1 nửa chu kì Nguyên tắc cũng gần giống với nguồn flyback Khi A được mở B đóng thì cuộn dây Np ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính Dòng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải Như trên hình vẽ Khi B mở và A đóng thì cuộn dây Np ở phía dưới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính Như trên hình 1.3.Với việc đóng cắt liên tục hai van này thì luôn luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải Chính vì ưu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi là cao nhất và được dùng nhiều trong các bộ nguồn như UPS, Inverter

Công thức tính cho nguồn Push-Pull:

V out = (V in /2) x (n 2 /n 1 ) x f x (T on ,A + T on ,B)

Với :

Vout: Điện áp đầu ra –V

Vin: Điện áp đầu vào - V

n2 = Số vòng dây cuộn thứ cấp

n1 = Số vòng dây cuộn sơ cấp

f = Tần số đóng cắt – Hertz

Ton,A = thời gian mở Van A – S

Ton,B = Thời gian mở Van B – S

Một số lưu ý khi dùng nguồn đẩy kéo:

+Trong 1 thời điểm thì không được cả hai van A và B cùng dẫn Mỗi van chỉ được dẫn trong 1 nửa chu kì Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngược lại

+Thời gian mở các van phải chính xác, giữa 2 van cần phải có thời gian chết để đảm bảo cho hai van không dẫn cùng

1.4 BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE (TOÀN CẦU)

Với Q1 và Q4 dẫn dòng điện đi qua cuộn sơ cấp đồng thời cảm ứng sang cuộn dây thứ cấp và điện áp sinh ra có cùng cực tính, khi Q2 và Q3 dẫn cuộn dây ở phía dưới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính Bộ biến đổi full-bridge thường được sử dụng cho những bộ nguồn lớn hơn 1000 W

Hình 1.5: Bộ biến đổi ful-bridge

Công thức tính cho bộ nguồn full-bridge:

Vout = Vin x (n2/n1) x f x (Ton, Q1 + Ton, Q2)

Trong đó:

Vout = Điện áp đầu ra – V

Vin = Điện áp đầu vào – V

n2 = 0,5 x số vòng dây cuộn thứ cấp

n1 = số vòng dây cuộn sơ cấp

f = tần số đóng cắt- Hz

Ton, Q1 = thời gian dẫn của Q1 – s

Ton, Q2 = thời gian dẫn của Q2- s

1.5 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO Ô TÔ ĐIỆN 1.5 1 Bộ biến đổi DC – DC (DC – DC Converters)

Khối mạch điện công suất trên xe ô tô điện gồm có ba hệ thống điện áp một chiều: ắc quy, siêu tụ điện và DC-link Để kết nối ba hệ thống điện áp một chiều này với nhau, đồng thời đảm bảo khả năng điều khiển tối ƣu dòng năng lƣợng trong các chế độ hoạt động của ô tô cần có các bộ biến đổi DC-

DC tăng / hạ áp hai chiều (Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter) với các chức năng khác nhau Hình 1 mô tả tổng thể hệ thống nguồn bao gồm ắc quy, siêu tụ và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Hình 1.6: Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động

Hai bộ biến đổi DC-DC hai chiều đóng vai trò khác nhau trong hệ thống Bộ biến đổi giữa siêu tụ và DC-link có vai trò làm giảm cấp điện áp của siêu tụ và huy động công suất lớn từ siêu tụ trong quá trình tăng tốc Mức điện áp định mức ở DC-link cần có để cấp nguồn cho động cơ hoạt động là 300VDC Trong quá trình hãm tái sinh năng lượng, điện áp DC-link có thể dâng lên lới 600VDC Nếu đấu nối trực tiếp siêu tụ vào DC-link thì cần lựa chọn siêu tụ có khả năng chịu được mức điện áp 600VDC Trên thực tế, siêu

tụ điện được chế tạo với mức điện áp nhỏ, chỉ khoảng vài VDC, module siêu

tụ có mức điện áp lớn nhất trên thị trường hiện nay là 125VDC [1] Nếu đấu nối tiếp nhiều module để có điện áp 600VDC sẽ khiến giá thành bị nâng lên rất cao, đồng thời gây khó khăn cho việc điều khiển cân bằng điện áp giữa các module, dẫn tới khả năng nổ toàn bộ siêu tụ Do vậy, bộ biến đổi DC-DC này

có vai trò hạ mức điện áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai module mắc nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh Đồng thời, nó có vai trò huy động một

lượng công suất lớn trong thời gian ngắn từ siêu tụ để phục vụ quá trình tăng tốc cho xe Điều này tránh được việc phải huy động công suất lớn từ ắc quy,

do vậy sẽ đảm bảo được tuổi thọ ắc quy

Bộ biến đổi giữa ắc quy và DC-link có vai trò điều phối dòng năng lượng nạp về ắc quy trong quá trình hãm tái sinh và nâng điện áp từ ắc quy lên DC-link Ắc quy có mật độ năng lượng cao nhưng có mật độ công suất thấp Điều đó có nghĩa ắc quy có khả năng tích trữ lớn, đảm bảo cung cấp năng lượng cho ô tô chạy đủ quãng đường yêu cầu nhưng khả năng phóng và đặc biệt là nạp năng lượng bị hạn chế Khi hãm tái sinh, toàn bộ năng lượng lớn trả về sẽ được nạp nhanh chóng vào siêu tụ, chỉ một lượng nhỏ được nạp vào ắc quy sao cho phù hợp với đặc tính nạp chậm để đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy Bộ biến đổi DC-DC này cũng cho phép hạ cấp điện áp trên bộ ắc quy, tránh việc đấu nối tiếp nhiều ắc quy gây khó khăn cho việc cân bằng tải

Hình 1.7: Hệ thống nguồn năng lượng cho ô tô điện

Với cái nhìn ở cấp độ hệ thống, các nguồn năng lượng và bộ biến đổi phải được quản lý và điểu khiển một cách đồng bộ, thống nhất như thể hiện trên Hình 1.6 Mạch đo và giám sát trạng thái ắc quy có nhiệm vụ đo lường,

thu thập, tổng hợp các giá trị nhiệt độ, dòng điện, điện áp phóng, nạp ắc quy trong các chế độ và đưa thông tin về bộ điều khiển trung tâm để giám sát, hiển thị và điều tiết Bộ điều khiển dòng năng lượng nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm, từ thông tin về dòng điện, điện áp một chiều đo được, tính toán và phát ra xung PWM điều khiển hai bộ biến đổi DC-DC tăng / hạ áp hai chiều

Bộ điều khiển dòng năng lượng có trách nhiệm phân phối, quản lý và điều khiển tối ưu hóa dòng năng lượng trao đổi giữa nguồn và tải trong các chế độ hoạt động

Hình 1.8: Cấu hình cơ bản của bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC hai chiều tương đối đơn giản, được minh họa trên các Hình 1.8, 1.9, 1.10, Chế độ boost (tăng áp) được thực hiện như sau: trước tiên van IGBT T2 mở, cuộn kháng được nạp điện Sau đó, T2 khóa lại, cuộn kháng phóng điện mở thông diode D1, nạp điện vào tụ Chu kỳ tiếp theo lại được thực hiện như vậy, tụ không thể phóng điện ngược trở lại do T1 không mở và D1 phân cực ngược

Do đó điện áp của tụ sẽ dâng cao dần lên Đây là chế độ hoạt động tăng áp Chế

độ buck (hạ áp) được thực hiện như sau: trước tiên T1 mở, tụ phóng điện qua cuộn cảm nạp vào ắc quy Sau đó van T1 khóa lại, năng lượng còn thừa trong cuộn cảm được giải phóng qua D2 Tùy thuộc vào tỷ số đóng cắt (duty cycle)

mà điện áp phía ắc quy sẽ thấp hơn điện áp trên tụ với một tỷ lệ tương ứng

Hình 1.9: Minh họa chế độ hoạt động tăng áp

Hình 1.10: Minh họa chế độ hoạt động hạ áp

1.5.2 Bộ biến tần

Về cấu trúc tổng quát, hệ biến tần cho ô tô điện cũng tương tự như các

hệ biến tần quen thuộc khác Đây là cấu hình nghịch lưu (Inveter) hay còn được gọi là bộ biến đổi DC – AC (DC – AC Converter), có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một chiều được tích trữ trong ắc qui hoặc siêu tụ điện thành nguồn điện xoay chiều cung cấp cho động cơ điện Tùy theo loại động cơ mà bộ biến

đổi tương ứng có thể có tên gọi khác nhau, như Bộ chuyển mạch

(Commutator) là cách gọi phổ biến của bộ biến đổi dùng cho động cơ điện

dạng sóng hình thang (BLDC Motor) Tuy nhiên, nguyên lý chung của các bộ biến đổi này là như nhau và được mô tả trong hình 1.10 Với 2 khối: khối công suất và khối điều khiển Các van bán dẫn dùng trong khối công suất

thường là IGBT Khối điều khiển thường sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) để đóng mở các van công suất, theo các luật điều khiển lựa chọn Các luật điều khiển này (ví dụ: giữ tỷ số V/f bằng hằng số, điều khiển tựa từ thông roto, điều khiển trực tiếp mômen, v.v.)

Hình 1.11: Cấu trúc tổng quát của biến tần

Tuy nhiên, cũng giống như động cơ, biến tần dùng cho ô tô điện có những khác biệt về mặt cấu trúc cụ thể và phương pháp điều khiển, so với biến tần sử dụng trong công nghiệp, để phù hợp với đặc tính của tải Với đặc tính có dạng hyperbol, hiệu suất tối ưu của hệ thống (bộ biến đổi – động cơ)

có thể lên tới 90 – 92 %

có sự tác dụng giữa các bản cực với dung dich điện phân và sinh ra dòng điện một chiều Trong trường hợp các acquy có thể sạc, các phản ứng hóa học diễn

ra ngược lại bằng cách cho dòng điện vào acquy

Accquy chì acid là loại acquy phổ biến nhất

2.1.2 Các thông số của acquy

a Điện áp

Mỗi ngăn acquy có một điện áp nhỏ, các ngăn sẽ được nối nối tiếp với nhau để đưa ra được một điện áp yêu cầu Acquy trên xe hơi thường là 6V hoặc 12V nên các ngăn được nối với nhau để tạo ra điện áp như trên Khi dòng điện được đưa ra, điện áp sẽ giảm xuống, khi acquy được sạc điện áp lại tăng lên

Hình 2.1: Mạch tương đương của acquy

Acquy có một suất điện động E được cho là không đổi, nhưng điện áp trên 2 bản cực là một giá trị khác V do điện trở trong của acquy Phụ thuộc vào dòng điện I chảy ra 2 bản cực acquy

Điện áp trên 2 bản cực của acquy có thể tính như sau:

V = E – IR

Nếu như dòng điện I = 0, thì điện áp trên hai bản cực coi như bằng E

do đó E được coi là điện áp hở mạch Khi acquy được sạc thì điện áp sạc sẽ bị tăng lên bới IR Vì vậy điện trở trong của acquy càng nhỏ càng tốt

Trong thực tế E không phải là một hằng số Điện áp bị ảnh hưởng bởi trạng thái sạc và nhiều nhân tố khác như nhiệt độ

b Khả năng tích điện

Điện tích mà một acquy có thể cung cấp là một thông số quyết đinh Đơn vị trong hệ SI là coulomb, là số điện tích khi một amp chảy qua trong một giây Tuy nhiên đây là một đơn vị nhỏ Do đó amphour được sử dụng: 1Ampe chảy qua trong một giờ VD: dung lượng của một acquy là 10Amphours nghĩa là nó có thể cung cấp dòng 1Ampe trong 10 giờ, hay là 2Ampe trong 5 giờ, 10Ampe trong 1 giờ

Nhưng thực tế theo như thông số là 10Amphours, nếu như 10Ampe được lấy ra thì khả năng phóng của acquy sẽ không quá 1 giờ

Một ví dụ khác với một acquy 100Amphour Dung lượng sẽ bị ảnh hưởng khi điện tích được lấy ra nhanh hay chậm Khi phóng điện hết trong 1 giờ thì dung lượng giảm xuống chỉ còn khoảng 70Amphours Mặt khác nếu phóng điện càng lâu ( khoảng 20 giờ) thì dung lượng lại lên tới 110Amphours Hiện tượng này xảy ra bởi những phản ứng không mong muốn trong các ngăn acquy Hiện tượng này dễ nhận thấy nhất trong acquy chì axit, nhưng nó cũng xảy ra với tất cả các loại acquy

c Hiệu suất của năng lượng

Đây là tỷ lệ giữa năng lượng mà một acquy có thể cung cấp cho tải với năng lượng cần thiết mà acquy nạp vào trước khi phóng điện

d Tỷ lệ tự phóng điện

Hầu hết các loại acquy khi không sử dụng đều bị xảy ra hiện tượng này, điều này cho thấy acquy không thể để không trong một thời gian dài mà không được nạp, tỷ lệ này phụ thuộc vào loại acquy, nhiệt độ môi trường…

e Nhiệt độ khi hoạt động và làm mát

Nhiều loại acquy có thể hoạt động ngay ở nhiệt độ môi trường, một số hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cần phải làm nóng lên mới sử dụng được và cần phải làm mát trong khi sử dụng Tuy nhiên, hiệu suất acquy sẽ rất kém khi làm việc ở nhiệt độ thấp Khi chọn acquy phải cân nhắc đến các yếu tố trên

g Tuổi thọ và số lần nạp lại

Hầu hết acquy chỉ có thể nạp lại khoảng vài trăm lần, số lần nạp lại phụ thuộc vào từng loại acquy, cũng như thiết kế chi tiết, cách sử dụng của acquy, đây là thông quan trọng trong các thông số của acquy

2.2 CÁC LOẠI ẮC QUY

2 2.1 Ắc quy chì axit

Đây là loại acquy được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại xe Ở trong các ngăn của loại acquy này cực âm được cấu tạo từ chì, cực dương làm từ chì oxit, các cực này được ngâm vào trong một dung dịch điện phân loãng của axit sunfuric Axit sunfuric kết hợp với chì, chì oxit, sinh ra chì sunfat và nước, năng lượng sẽ được sinh ra trong suốt quá trình này

Phần trên của hình vẽ diễn tả quá trình phóng điện của acquy, cả 2 bản cực đều hình thành chì sunfat, dung dịch axit sunfuric bị loãng dần,

Khi nạp điện, 2 bản cực trở lại thành chì và chì oxit, dung dịch điện phân tăng trở lại tính axit

Acquy chì axit này được sử dụng rất rộng rãi, hoạt động tin cậy, các thành phần cấu tạo rẻ, và điện áp khoảng 2V cho mỗi ngăn

Đặc trưng riêng của ắc quy chì axit

Các phản ứng trong acquy không chỉ diễn ra như trên hình vẽ, các cực của acquy đều tác dụng với axit sunfuric mặc dù diễn ra rất chậm như sau:

Ở cực dương : 2PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O + O2

Ở cực âm : Pb + H2SO4 PbSO4 + H2

Đây là quá trình tự phóng của acquy, tốc độ diễn ra phụ thuộc vào nhiêt

độ của acquy, nhiệt độ càng cao diễn ra càng nhanh, sự nguyên chất của các linh kiện

Mặt khác, sau khi đã sạc đầy nếu ta tiếp tục sạc tiếp khi đó không còn chì sunfat để nhận các electron sẽ sinh ra H2 và O2 Làm dung dịch trong acquy bị cạn dần

2.2.2 Ắc quy Nickel

Acquy này sử dụng điện cực bằng nikel được phát triển từ công trình nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19 Các loại acquy này được làm từ kim loai nickel, nickel – kẽm, nickel-cadimi

Acquy nicken-cadimi

Đây là loại acquy coi là phổ biền ngang với acquy chì, nhưng nó có chỉ

số năng lượng riêng gấp đôi acquy chì

Acquy nicken-cadimi sử dụng nicken oxyhidroxide để làm cực dương

và cadimi làm cực âm, năng lượng điện thu được qua phản ứng sau:

Cd + 2NiOOH + 2H2O  Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

NiCad acquy được ứng dụng khá rộng rãi, có số lần nạp lại khỏang

2500 lần, nhiệt độ hoạt động trong khoảng -40*C đến +80*C, chỉ số tự phóng thấp, khả năng lưu trữ năng lượng dài, có thể sạc đầy trong vòng 1 giờ, và đến 60% trong 20 phút

Mỗi ngăn acquy chỉ có điện áp khoảng 1.2V do đó để có một điện áp 12V cần có 10 ngăn, Cd là một chất gây ô nhiễm môi trường và gây ung thư, các điều này làm tăng giá thành của acquy

2.2.3 Ắc quy Natri

Loại acquy này được phát triển vào những năm 1980, sử dụng dung dịch natri để làm cực âm, điểm khác biệt của acquy này với các loại acquy khác là chúng hoạt động ở nhiệt độ cao Chúng có một cực làm từ natri lỏng bên trong hình dạng của một loại sứ, chúng rất độc hại nên không được ứng dụng vào trong điện thoại di động hay lapotp

a Acquy natri lưu huỳnh

Bắt đầu được phát triển vào những năm 1970, chúng hoạt động ở nhiệt

độ 300 - 350 để giữ được nhiệt độ như vậy chúng được đóng kín vào một hộp chân không

Cực dương gồm natri lỏng, cực âm gồm dung dịch lưu huỳnh

Năng lượng điện được giải phóng qua sự kết hợp giữa natri và lưu huỳnh tạo thành natri sulphide

2Na + xS  Na2Sx

Do yêu cầu nhiệt độ cao, nên các loại acquy nhỏ không thể chế tạo được, việc làm nóng và làm mát cho acquy cần được thiết kế cẩn thận mặt khác sự nguy hiểm của natri và lưu huỳnh đã làm cho loại acquy này không còn xuất hiện trên thị trường

b Acquy Zebra

Acquy zebra sử dụng nickel cloride để làm cực dương và natri lỏng để làm cực âm Năng lương được tạo ra từ phản ứng giữa Natri và Nickel cloride:

2Na + NiCl2 Ni + 2NaCl

Điện áp tạo ra từ phản ứng khoảng 2.5V, trong giai đoạn sau phản ứng trở lên phức tạp, các ion nhôm từ dung dịch điện phân làm hạ điện áp, rơi xuống khoảng 1.6V điện trở trong của acquy cũng tăng theo

Một nhược điểm lớn nữa của Zebra acquy là chúng hoạt động ở nhiệt

độ 320*C

2.2.4 Ắc quy Liti

Từ cuối năm 1980 acquy liti đã xuất hiện trên thị trường, chúng có mật

độ năng lượng cao hơn hẳn so với các loại acquy khác Chúng có ở các laptop đắt tiền, điện thoại di động nhiều hơn các loại acquy NiCad và NiHM

a Acquy Li-polymer

Li-poplymer acquy sử dụng Li làm cực âm và một oxit kim loại khác đặt ở giữa là cực dương, phản ứng hóa học giữa Li và kim oxit kim loại giải phóng năng lượng khi acquy được sạc phản ứng hóa học được diễn ra ngược lại

xLi + MyOz LixMyOz

Hình dạng của cực Liti là vấn đề lớn của loại acquy này, chúng thỉnh thoảng bị giảm hiệu suất hoạt động do sự thụ động, do đó chúng đã bị thay thế bởi acquy Li-ion

b Acquy Li-ion

Acquy Li-ion được giới thiệu vào đầu những năm 1990, sử dụng oxit Liti để làm cực dương và Liti Cacbon để làm cực âm, dung dịch điện phân là một dung dich hữu cơ hoặc một loại polymer rắn

Năng lượng được giải phóng từ phản ứng giữa Liti cacbon và oxit liti

C6Lix + MyOz 6C + LixMyOz

Đặc điểm quan trọng của loại acquy này là chúng cần một điện áp chính xác khi sạc, nếu cao quá sẽ làm hỏng acquy, thấp quá sẽ sẽ không đủ để sạc Để đáp ứng điều này, các bộ sạc acquy cũng được phát triển cùng với acquy

Acquy Li-ion có một lợi thế về trọng lượng so với các loại khác, có mật

độ năng lượng cao gấp lần acquy chì

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo

tỷ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3

so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V)

b Nạp điện ắc quy

Việc nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng

ắc quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng

Tuỳ theo phương pháp vận hành ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

Nạp với dòng điện không đổi

Nạp với dòng điện giảm dần

Nạp với điện thế không đổi

Nạp thay đổi với điện thế không đổi

c Nạp với dòng điện không đổi

Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước

Nạp kiểu 1 bước:

Để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0,12 C10

Nạp kiểu 2 bước:

Bước 1: Để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp

nhưng không vượt quá 0,25 C10 Khi điện thế tăng lên đến 2,3 – 2,4V thì chuyển sang bước 2

nạp, điện thế ắc quy đạt đến 2,6 – 2,8V Tỷ trọng ắc quy tăng lên đến 1,200 – 1,210 g/cm3, giữa các bản cực ắc quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt Việc nạp được coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của ắc quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ và ắc quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì

Thời gian nạp đối với ắc quy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12C10 mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25C10

và 0,12C10 mất khoảng 7 – 8 giờ Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng

c Nạp với dòng điện giảm dần

Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25C10 và sau đó 0,12C10 Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trưòng hợp nạp với dòng điện không đổi

d Nạp với điện thế không đổi

Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở chế độ ổn áp Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2 – 2,35V đối với ắc quy chì axít và được duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp Thời gian nạp vài ngày đêm Trong 10 giờ nạp đầu tiên, ắc quy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp

e Nạp ở chế độ ổn dòng và ổn áp

Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:

tăng tự do Cho đến khi điện thế ắc quy tăng lên đến 2,2 – 2,35V thì chuyển sang bước 2

Bước 2: Nạp với điện thế không đổi Việc nạp này được tự động hoá

bằng thiết bị nạp có ổn định điện thế và giới hạn dòng điện

g Chế độ nạp thường xuyên.

Đối với các loại bình ắc quy tĩnh, việc vận hành ắc quy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên Ắc quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc quy tăng lên

và chi phí bảo dưỡng cũng được giảm xuống

Để bảo đảm chất lượng ắc quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần Trong quá trình vận hành ắc quy

ở chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì điện thế trên mỗi bình ắc quy là 2,2 ± 0,05V để bù trừ sự tự phóng và duy trì ắc quy ở trạng thái luôn được nạp đầy

Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì bằng 50 – 100 mA cho mỗi 100 Ah Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên ắc quy phải được duy trì tự động trong khoảng ±2 %

Việc phóng thử dung lượng thực tế của ắc quy được tiến hành 1 – 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng ắc quy kém Dòng điện phóng được giới hạn ở chế độ mức 3 đến 10 giờ Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của ắc quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng

Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: C20 = Ct /(1+0,008 ( t -

20 ) ) Với C20 là dung lượng ở 200C, Ct là dung lượng ở t0C

h Chế độ phóng nạp xen kẽ

Ắc quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc quy thường xuyên phóng vào

1 phụ tải nào đó sau khi đã ngưng nạp Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại

Trường hợp sử dụng ắc quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 C10 Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo các điều ghi ở phần trên Việc nạp lại nhằm loại trừ việc sun phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại tiến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc quy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép

2.4 VAI TRÒ CỦA ẮC QUY TRONG Ô TÔ

a Hệ thống khởi động ô tô

Là một hệ thống giúp cho động cơ đốt trong của ô tô có thể bắt đầu hoạt động.Vì động cơ đốt trong không thể tự khởi động nên cần phải có một ngoại lực để khởi động nó Thiết bị tạo ra ngoại lực là Động cơ hay mô-tơ điện một chiều, thông thường gọi là mô-tơ đề Để khởi động động cơ thì trục khuỷu phải quay nhanh hơn tốc độ quay tối thiểu Tốc độ quay tối thiểu để khởi động động cơ khác nhau tuỳ theo cấu trúc động cơ và tình trạng hoạt động, thường từ 40 -60 vòng/ phút đối với động cơ xăng và từ 80 - 100 vòng/phút đối với động cơ diesel

b Ắc quy trên ô tô

Acquy chì acide là một thiết bị hoá điện, nó sinh ra hiệu điện thế và phân phối cường độ dòng điện Acquy là một nguồn năng lượng sơ cấp trên ô

tô ngày nay Nên nhớ rằng acquy không tích trữ điện mà chỉ tích trữ hoá học, nhờ vậy mà quá trình điện hoá được sinh ra Một cách đơn giản, chì và dung dịch acide phản ứng với nhau và sinh ra một hiệu điện thế Phản ứng hoá học này chuyển hoá năng thành điện năng và đó là cơ sở của các loại acquy trên ô

tô

c Công dụng của ắc quy

Acquy cung cấp điện khi:

Động cơ ngừng hoạt động: Điện từ bình acquy được sử dụng để chiếu

sáng, dùng cho các thiết bị điện phụ, hoặc là các thiết bị điện khác khi động

cơ không hoạt động

Động cơ khởi động: Điện từ bình acquy được dùng cho máy khởi

động và cung cấp dòng điện cho hệ thống đánh lửa trong suốt thời gian động

cơ đang khởi động Việc khởi động xe là chức năng quan trọng nhất của acquy

Động cơ đang hoạt động: Điện từ bình acquy có thể cần thiết để hỗ

trợ cho hệ thống nạp khi nhu cầu về tải điện trên xe vượt qua khả năng của hệ thống nạp Cả acquy và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao

2.5 MOSFET

2.5.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 2.3: Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET

Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Hình 1 thể hiện cấu trúc

và ký hiệu của MOSFET G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (SiO2) Hai cực còn lại là cực gốc S và cực máng D cực máng

là cực đón các hạt mang điện MOSFET có điện trở giữa cực G với cực D là

vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS) Khi điện áp UGS=0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS>0 do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện

áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ

Nếu kênh dẫn N thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử (electron), do

đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc Kênh dẫn kiểu

P cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn ngược lại Tuy nhiên

đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu N Một trong những ưu điểm khi dùng MOSFET là tần số đóng cắt lớn, mạch điều khiển đơn giản vì MOSFET điều khiển bằng điện áp, dòng điện điều khiển hoàn toàn cách ly với dòng trên cực máng, do đó khi MOSFET dẫn không cần dòng điện duy trì như đối với transitor lưỡng cực

Một thông số quan trọng của MOSFET công suất đó là tồn tại điện trở

tự nhiên bên trong MOSFET Điện áp rơi trên cực máng D và cực gốc S tỉ lệ tuyến tính với dòng trên kênh dẫn

Mối liên hệ đó được đặc trưng bởi thông số RDS(ON) được ghi trong các datasheet của MOSFET

Điện trở RDS(ON) là hắng số tương ứng với 1 điện áp VGS nhất định và nhiệt độ nhất định của MOSFET

Khi dòng điện qua MOSFET tăng thì nhiệt độ trên lớp bán dẫn tăng và

do đó điện trở RDS(ON) cũng tăng theo

Hình 2.4: Kí hiệu quy ước và hình dáng của MOSFET

a Các thông số của MOSFET

Khi ứng dụng MOSFET trong các thiết bị điện tử công suất thì thông số quan trọng nhất mà ta quan tâm đến đó là thời gian đóng cắt của MOSFET, thông thường thời gian đóng cắt của MOSFET từ 10ns- 60ns

Bên cạnh đó còn có các thông số quan trọng khác như:

Điện áp lớn nhất trên hai cực D,S của MOSFET: VDS(max) (V)

Dòng điện lớn nhất mà van chịu được: ID(A)

Điện trở trong của van: RDS(on)( )

Dải nhiệt độ hoạt động của van

Các thông số này rất quan trọng khi ta thiết kế mạch điều khiển van

b Quá trình mở và khóa của MOSFET

Khi cấp vào cực G của MOSFET một điện áp thông qua mạch Driver thì quá trinh mở Mosfet được thể hiện trong đồ thị sau:

Hình 2.5: Quá trình mở của Mosfet

Quá trình mở của MOSFET

Giai đoạn thứ nhất: điện dung đầu vào của MOSFET được nạp từ điện

áp 0V đến giá trị UTH , trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G được nạp cho tụ CGS, một lượng nhỏ nạp cho tụ CGD Quá trình này được gọi

là quá trình mở trễ bởi vì cả dòng ID và điện áp trên cực D đều không đổi Sau khi cực G được nạp tới giá trị điện áp giữ mẫu UTH, Mosfet sẵn sàng để dẫn dòng điện

Giai đoạn thứ hai: điện áp cực G tăng từ UTH đến giá trị U Miller, Đây là điểm làm việc tuyến tính của MOSFET; dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp cực cổng G Ở phía cực cổng, dòng điện đi vào tụ điện CGS và CGD giống như trong khoảng thời gian đầu tiên và điện áp UGS ngày càng tăng Ở đầu ra của MOSFET, dòng điện trên cực máng cũng tăng dần, trong khi điện áp D-S không đổi (U DS, OFF ) Cho đến khi tất cả dòng điện được chuyển vào MOSFET và diode khóa hoàn toàn để có thể ngăn chặn điện áp ngược qua lớp tiếp giáp pn của nó, điện áp cực máng phải bằng cấp điện áp đầu ra

Giai đoạn thứ ba : Điện áp cực G giữ nguyên ở mức điện áp Miller

cho cực máng 1 điện áp rơi Trong khi xuất hiện điện áp rơi trên cực máng thì điện áp trên D-S vẫn giữ ở mức ổn định Tất cả Dòng điện trên cực cổng nhận từ bộ điều khiển làm lệch hướng xả Của tụ CGD để tạo điều kiện thuận lợicho việc thay đổi điện áp qua D-S Dòng điện cực máng của Mosfet được giữ không đổi vì bị giới hạn bởi các mạch điện bên ngoài, tức là nguồn dòng

DC

Giai đoạn thứ tư: là để tăng kênh dẫn điện cho MOSFET bằng cách áp dụng điều khiển mức điện áp cao cho cực cổng Biên độ V GS được xác định bằng điện trở trong của thiết bị trong thời gian nó mở Vì vậy, trong khoảng thời gian thứ tư, V GS tăng từ V GS, Miller đến giá trị cuối cùng của nó, V DRV